国内外温室播种育苗装备研究存在问题及建议

2020-07-06 03:26马伟

农业工程技术·温室园艺 2020年4期

背景

温室播种育苗装备是面向温室内集中化、规模化的特定操作环境的农业装备，采用流水线播种和水肥控制的方法，基于模块化组装技术，实现播种、灌水和施肥等功能的组合，达到一体化作业的目标。

随着农业信息化的快速发展，国内外温室播种育苗装备的研究朝着智能化、自动化和轻简化的方向发展，通过精准化、变量化和工业化手段，研究成果得以规模化生产、成本大幅度下降，为温室种植产业的规模化生产提供了科技支撑，这些装备的规模化应用将实现温室产业与智能装备产业的深度融合。

国外温室播种育苗装备研究

现代温室的工业化播种育苗装备先在国外发展起来。欧洲的温室播种育苗装备是从20世纪70年代开始逐步发展起来的一项农业系统技术，与传统种植以及育苗方式相比，温室机械化播种以及育苗管理更有优势，因为其播种和育苗场地集中，采用规模化和标准化的方式，可以保护幼苗的根系，提高成活率及出苗整齐度。温室育苗技术使用统一标准的穴盘，对于机械播种而言就有了标准的载体。机械播种具有播种精准、工作效率高、节约成本等优点。

欧美国家设施播种育苗装备产业发展比较早，研制的机型较多，功能较完善，自动化程度较高，配套设备齐全。例如英国的Hamilton，美国的Blackmore、Gromore，澳大利亚的Williams，荷兰的Visser，韩国的Helper等公司的产品比较知名（图1～3）。国外育苗精量播种机按照播种方式的不同，可分为针（管）式播种机、板式播种机、滚筒式播种机。

中国温室播种育苗装备研究

中国从20世纪80年代中期才开始从欧洲引进现代设施育苗技术及装备。经过引进、消化、吸收和再创新，在温室播种育苗装备研究和产业化方面逐步形成特色的发展道路，经过多年的快速发展，在技术创新和产品开发方面取得显著的进步，但总体水平还是不高，装备发展的深度不够、速度比较缓慢。农业农村部和科技部先后将穴盘育苗技术研究列为重点科研项目，温室育苗播种装置也成为了主攻对象。目前，国内的科研单位也研制出了一些育苗播种机的成品，但不能得到很好的推广应用。拥有生产成套育苗播种装置的企业也有很多，但总体上市场占有率偏低。常见的播种机较多，中国工业工程研究设计院和中国农业大学等单位联合研制成功的2XB-400型穴盘育苗精量播种机，广西农机化研究所研制的 2Z BQ-300型双层滚筒气吸播种机，胖龙（邯郸）温室工程有限公司研制的BZ30穴盘精量播种机，浙江台州生产的YM-0911蔬菜花卉育苗气吸式精量播种流水线。北京农业智能装备技术研究中心研制的2款精准播种设备，播种漏播率小于3%，在北京市京郊大兴区长子营等育苗合作社进行了规模化应用。这些机型符合中国温室生产的实际需求，代表了国内该领域的研究与生产水平。

中国的温室播种育苗装备取得了一定的成果，但是在今后的发展道路上还是有很多问题需要解决。和国外相比，播种育苗装备利用率、设备稳定性、农机农艺结合等方面还存在一定的差距。

温室播种育苗装备关键技术

近年来，温室播种育苗装备的研究逐渐成为热门领域，国际上知名的温室系统公司纷纷和科研机构合作，对该领域的关键技术进行深入研究和突破，主要原因有两个：一是市场不断成熟，大型的种植企业不断增加，新的资本介入后对现代化的装备需求增加，促生了传统装备改型换代;二是随着农业信息化技术的快速发展，温室精准播种育苗装备所需的关键技术不断突破，核心传感器的价格不断下降。这些都促进了技术和产业的二次结合，促进了该领域的蓬勃发展。

精准吸种技术

就精准播种而言，吸种的精度直接决定漏播率，是温室精准播种的关键参数。吸种要解决种子振动和种子堵塞这2个核心难题。种子振动是将种子放在种盘上，利用偏振器将种盘按照一定的频率振动，种子就会被振动到空中，便于针头能在空中吸住种子，实现1个针头1次只吸住1颗种子。种子堵塞的消除是依靠空气阀的切换，将针头的吸种负压力切换为吹起的正压力，将堵塞针头的破碎种子或杂物吹走。精准吸种技术就是围绕振动和气阀切换来研究作业参数对种子播种精度的影响。

国外的精准吸种技术优势在于种子振动所需的振动器性能稳定，单位时间内的振动能量变异系数很低。振动器长时间工作后种盘的振动幅度和振动频率均匀一致。在播种装备作业时，种子在振动作用下，弹跳的高度一致，针头能比较容易地捕捉到单颗种子，漏播率较低。

国内的精准吸种技术优势在于控制系统的控制方法灵活，能灵活控制气压阀将多余的种子吹走，每个针头上吸附一颗种子，降低重播率。重播是指一个孔里放了2个或2个以上的种子，这会浪费昂贵的种子。国内的振动器长时间工作后发热和振幅不均匀的问题还需要探索。

穴盘精准打孔技术

穴盘打孔就是利用圆柱形外形的机构在铺满土的穴盘正中压出来一个一定深度的孔，将种子放入孔中间。这里面的问题是打孔深度和打孔位置。穴盘精准打孔技术是利用精准控制確保打孔深度和打孔位置一致和均匀。打孔深度不均匀，会导致出苗后高度不整齐。打孔位置偏离，会导致出苗后大小不整齐。

国外的穴盘精准打孔技术通过对穴盘的精准定位和输送带的精准暂停来确保孔打在每个穴孔的中心位置，基于红外传感器探测和气动元器件快速响应等手段，对位置误差的消除有一整套完整的技术方案。

中国的穴盘精准打孔技术借鉴了国外的技术手段，又根据国内实际需求现状，对功能进行了创新，适合中国的国情。国内的技术创新集中在输送带驱动电机的响应速度和稳定性，气缸的稳定性等环节上。

肥水精准喷淋技术

肥水喷淋是指在完成播种和盖土后，穴盘被均匀地喷淋一定量的营养液作为种子的底肥。这里面的问题是喷淋均匀性和喷量。肥水精准喷淋技术就是通过压力阀调控、电磁阀开闭、PWM脉宽调制和PID流量调控等手段，让每个种子获得均匀的营养液，把好播种作业的最后一道关。

国外肥水精准喷淋技术原理简单可靠，技术手段单一，确保水流均匀即可，这方面符合大规模生产减少成本的要求。中国的肥水精准喷淋技术采用了少量多次、扇形喷嘴、定量喷淋、在线监控等多种技术手段，对营养液的精准调控技术领先国外。北京市农林科学院等单位已實现水肥药一次喷淋，并在京郊进行推广应用，水肥药精准控制误差小于3.5%。

物联网管控技术

物联网管控是指利用多种传感器对温室种植育苗装备的作业效率、工作状态、工作时段、穴盘统计、设备故障、漏播统计、溶液余量、电机温度等作业参数在线监控，并将作业参数通过网络传送给作业人员手机，利用手机软件对播种数据进行分析，根据分析结果结合数学决策模型对参数进行动态调整及自动化管控，增加自学习功能，不断优化控制参数，提高装备自动控制系统的鲁棒性。这里面的问题是传感器筛选和网络维护。传感器筛选要在成本能接受的前提下，充分选择稳定性高的传感器，对传感器的接口进行精准地定义，确保数据传输和地址的设定不会受干扰。网络维护要考虑稳定性和经济性。

国外播种育苗设备的物联网管控技术尚处于起步。中国播种育苗设备的物联网管控技术不断创新，基于Web的移动端管控技术已成熟应用于温室播种装备中，处于全球领跑的地位。

面临问题及相关建议

面临的问题

温室播种育苗装备快速发展的同时，在利用率、农机农艺结合、设备稳定性等方面还需要进一步探索。利用率方面主要是社会化服务的规模和辐射面还太小，需要农业补贴政策加以引导。农机农艺结合方面存在的问题较突出，此方面研究及推广人员大多是栽培、温室结构设计、经济管理等背景，无法对装备设计进行整体把控，具有农科院校的机械设计及自动化知识背景的专业人员弥足珍贵。人才的脱节是农机农艺融合问题的本质，设备稳定性是最大的难题。重点进行分析，主要面临的问题包括传感器抗干扰性能低、气动元件响应速度慢和振动器稳定性较低等问题。温室播种育苗装备系统存在误差较大、系统不稳定等特点。